数据通信基本概念

信源

信源，是产生各类信息的实体。信源给出的符号是不确定的，可用随机变量及其统计特性描述。

信道

通信的通道

信宿

信息接收者指在信息传递过程中，发出信息一方称发信息者，接受信息的一方称信息接受者，又称受信息或信宿。

数字信号

数字信号是信息用于若干个明确定义的离散值表示的时间离散星火

模拟信号

模拟信号是在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间程序为任意数值的信号

模拟通信

利用正弦波的幅度、频率或相位的变化，或利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号，以达到通信的目的
数字通信
用数值信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波就行数字调制后再传输的通信方式

数据通信计算

模拟信道带宽计算

$W=f2-f1$

其中f1是低频，f2是高频

尼奎斯特定理

$最大数据速率=2W \log_2 N=B \log_2 N$

其中，W表示带宽，B表示波特率，N是码元总的种类数

信息量n与码元种类N的关系

$n =\log_2 N$

香农公式

$极限数据速率=带宽\times\log_2 (1+S/N)$

其中，S为信号功率，N为噪声功率

误码率

指接收到的错误码元数在总传送码元数中所占的比例

$P_C = 错误码元数/码元总数$

信噪比

$信噪比=信号功率/噪声功率=S/N$

码元速率（波特率）

即单位时间内载波参数（相位、振幅、频率等）变化的次数，单位为波特，符号Baud，简写B

比特率（信息传输速率、信息速率）

指单位时间内在信道上传达的数据量（即比特数），单位为比特每秒（bit/s），简写b/s或bps

波特率与比特率的关系

$比特率=波特率 \times 单个调制状态对应的二进制位数= 波特率\times\log_2 N$

分贝数与信噪比的关系

$dB =10 \lg (S/N)$

公式总结

gongshi

常用考试数据

单位换算

通信换算进制1000 1G=1000M
存储换算进制1024 1G=1024M

信道延迟

总延迟时间：
- 其中$T_1$为发送延迟，$T_2$为传输延迟
==电缆信道延迟：200m/us==（200km/ms、200000km/s）为光速的2/3
==卫星信道延迟：270ms==

双绞线

双绞线分为 非屏蔽双绞线UTP ， 屏蔽双绞线STP。
100米可达到100MB/s

屏蔽双绞线

三类线——带宽10Mbps—-cat3
五类线——带宽100Mbps—-cat5
超五类线——带宽100Mbps—-cat5e
六类线——带宽250Mbps—-cat6

非屏蔽双绞线

三类线——带宽16Mbps—-cat3
五类线——带宽100Mbps—-cat5
超五类线——带宽100Mbps—-cat5e

双绞线线序标准

分为T568A与T568B

T568A—交叉线

绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕

T568B—直通线

橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕

交叉线与直通线的适用范围

线缆连接设备情况	采用的线缆种类
计算机——计算机	交叉线
计算机——交换机	直通线
计算机——路由器	交叉线
交换机——交换机	交叉线
交换机——路由器	直通线
路由器——路由器	交叉线

同轴电缆

分为粗同轴电缆与细同轴电缆。 传送距离长，信号稳定的特点，常用于电监控、音响设备
由里到外分别是：中心铜线，塑料绝缘体，网状导电层和电线外皮
==优点是传送距离长，信号稳定==
同轴电缆分为 RG-58（基带），RG-59（宽带）

光纤

分为单模光纤SMF与多模光纤MMF，黄色为单模，橙色水蓝色为多模

单模光纤与多模光纤的对比

项目	单模光纤	单模光纤
距离	长	短
速率	高	低
光源	激光	发光二极管
直径	小	大
端接	较难	较易
造价	高	低

无线信道

分为 无线电波 和 红外光波
无线电波
- 长波
- 中波
- 短波
- 超短波
- 微波
  - 地面微波
  - 卫星微波
红外光波
- 近红外线
- 中红外线
- 远红外线

模拟信道调制

分为 调幅ASK、 调频FSK、 调相PSK、 正交调幅QAM

数字信道编码

分为采样、量化、编码三步骤

调制技术与码元数

调制技术	名称	码元种类N	比特位n
ASK	幅度键控	2	1
FSK	频移键控	2	1
PSK	相移键控	2	1
DPSK	4相键控	4	2
QPSK	正交相移键控	4	2

极性编码

参考视频：https://www.bilibili.com/video/BV1n441117x5?from=search&seid=10487131280885074075

分为单极性、极性、双极性
- 单极性码
  - 只有 ==一个极性==，正电平为0，零电平为1
- 极性码
  - ==两个极性==，正电平为0，零电平为1
- 双极性码
  - 零电平为0，正负电平交替翻转表示1，这种编码不能定时，需要引入时钟

归零性编码

分为归零码、不归零码、双相码
- 归零码
  - 码元中间 ==信号回归到零电平，正电平到零电平转换变为0，负点平到零电平转换变为1==，这种码元自定时
  - 通过“归零”这一步骤，相当于代替时钟信号编码在数据中，即可做到同步
  - 该编码效率较低
- 不归零码
  - 码元中间信号==不归零==，1表示电平翻转，0不翻转，正电为1，负电为0
  - 因存在同步问题，计算机网络不使用该类编码
- 双相码
  - 低到高表示0，高到低表示1，这种编码抗干扰性好，实现自同步

曼彻斯特码与差分曼码

曼彻斯特码降0升1，降1升0，效率50%
差分曼码折0平1，效率50%
- 曼彻斯特码
  - ==低到高表示0，高到低表示1==，码元中间==电平转换既表示数据，又做定时信号==
  - 使用在10Mb/s的传统以太网中，跳变时刻即表示数据，也表示时钟
- 差分曼彻斯特码
  - 每一位开始处是否有电平翻转，有着表示0，没有则表示1
  - 跳变仅表示时钟，码元开始处才表示数据的变化

练习例题

设信道带宽为4000Hz，信噪比为30dB，按照香农定理，信道容量为 []{.gap} 。 {.quiz}
- 4Kb/s {.options}
- 1.6Kb/s {.options}
- 40Kb/s {.correct}
- 120Kb/s {.options}
  {.options}
  - 使用香农公式 C = W $\log_2 (1+S/N)$ ,和公式 dB = 10 $\lg_10 (S/N)$,由30dB得到 S/N = 1000；于是 C = 4000 $\log_2 (1+1000)$ = 40000b/s；除以进率1000，换算为Kb/s等于40Kb/s
  - {.options}
所谓正交幅度调制是把两个 []{.gap} 的模拟信号合为一个载波信号。 {.quiz}
- 幅度相同相位相差90° {.correct}
- 幅度相同相位相差180° {.options}
- 频率相同相位相差90° {.options}
- 频率相同相位相差180° {.options}
  {.options}
地面上相距2000km的两地之间通过电缆传输4000bit长的数据包，数据速率为64Kb/s，从喀什发送到接收完成需要花费的时间为 []{.gap} 。 {.quiz}
- 48ms {.options}
- 640ms {.options}
- 32.5ms {.options}
- 72.5ms {.correct}
  {.options}
  - 一个数据包从开始发送到接收完成的总时间=发送时间+传播延迟时间；传播延迟时间=2000km/(200km/ms)=10ms;发送时间=4000b/(6400b/s)=0.065s=62.5ms;总时间=62.5+10=72.5ms
  - {.options}
PCM编码是把模拟信号数字化的过程，通常模拟话音信道的带宽为4000Hz，则在数字化采用频率至少 []{.gap} 次/秒。 {.quiz}
- 2000 {.options}
- 4000 {.options}
- 8000 {.correct}
- 16000 {.options}
  {.options}
在异步通信中，每个字符包含一位起始位、7位数据位、1位奇偶位和1位终止位，每秒钟传送200个字符，采用DPSK调制，则码元速率为 []{.gap} B。 {.quiz}
- 200 {.options}
- 500 {.options}
- 1000 {.options}
- 2000 {.correct}
  {.options}
  - R=200*(1+7+1+1)=2000bps，根据DPSK默认是2DPSK，也就是2相N=2，带入R=B$\log_2 (N)$，数值为：2000=B$\log_2 (2)$，得出波特率B=2000
  - {.options}
设信道带宽为4000Hz，采用PCM编码，采用周期为125us，每个样本量化为128个等级，则信道的数据速率为 []{.gap} Kb/s。 {.quiz}
- 10 {.options}
- 16 {.options}
- 56 {.correct}
- 64 {.options}
  {.options}
  - 128个等级即2^7=128，需要yong7位来表示，125us的周期是每秒变化8000次，则有7*8000=56000b/s=56Kb/s
  - {.options}

软考网络工程师